《数理金融》习题参考答案.doc 23页

'《数理金融分析—基础原理与方法》习题参考答案第一章（P52）题1-1希德劳斯基模型的金融学含义是什么？解：参考方程（1.2.13）式后面的一个自然段。题1-2欧拉方程的经济学和金融学的含义是什么？解：参考方程（1.5.9）式和方程（1.5.10）式后面的一个自然段。题1-3如果你借款1000美元，并以年利率8%按每季度计息一次的复利形式支付利息，借期为一年。那么一年后你欠了多少钱？解：每季度计息一次的8%的年复合利率，等价于每个季度以2%的单利利率支付一次利息，而每个季度索要的利息，不仅要考虑原有的本金，而且还要加上累计到该时刻的利息。因此，一个季度后你的欠款为：两个季度后你的欠款为：三个季度后你的欠款为：四个季度后你的欠款为：题1-4许多信用卡公司均是按每月计息一次的18%的年复合利率索要利息的。如果在一年的年初支付金额为，而在这一年中并没有发生支付，那么在这一年的年末欠款将是多少？解：这样的复合利率相当于每个月以月利率支付利息，而累计的利息将加到下一个月所欠的本金中。因此，一年后你的欠款为：题1-5如果一家银行所提供的利息是以名义利率5%连续地计算利息，那么每年的有效利率应该是多少？解：有效利率应为：23 即有效利率是每年。题1-6一家公司在未来的5年中需要一种特定型号的机器。这家公司当前有一台这种机器，价值6000美元，未来3年内每年折旧2000美元，在第三年年末报废。该机器开始使用后，第一年运转费用在该年年初值为9000美元，之后在此基础上每年增加2000美元。在每年的年初可以按固定价格22000美元购买1台新机器。1台新机器的寿命是6年，在最初使用的两年中每年折旧3000美元，这之后每年折旧4000美元。新机器在第一年的运转成本是6000美元，在随后的每年中将增加1000美元。如果利率为10%，公司应在何时购买新机器？解：这家公司可以在第1、2、3、4年的年初购买新机器，其对应的6年现金流如下（以1000美元为单位）：在第一年的年初购买新机器：22，7，8，9，10，-4；在第二年的年初购买新机器：9，24，7，8，9，-8；在第三年的年初购买新机器：9，11，26，7，8，-12；在第四年的年初购买新机器：9，11，13，28，7，-16。为了验证上面所列现金流的正确性，假设公司将在第三年的年初购买新机器，则公司在第一年的成本为旧机器9000美元的运转成本；在第二年的成本为旧机器11000美元的运转成本；在第三年的成本为新机器22000美元的购买成本，加上6000美元的运转成本，再减去从替换机器中得到的2000美元；在第四年的成本是7000美元的运转成本；在第五年的成本是8000美元的运转成本；在第六年的成本是-12000美元，它是已经使用了3年的机器价值的负值。其他的3个现金流序列可以通过相似的方法推得。对于年利率，第一个现金流序列的现值为其他现金流的现值可用同样的方法计算出。这四个现金流的现值分别是46.083，43.794，43.760，45.627因此，公司应在两年后购买新机器。23 题1-7一个打算在20年后退休的人，决定今后240个月每月月初在银行存款，使得他可以在随后的360个月的每月月初提款1000美元。假设每月计息一次的名义年利率为6%，那么的值应该为多少？解：是月利率。令，他所有存款的现值为类似地，如果是在随后的360个月中每月的提款额，那么所有的提款额的现值为这样，如果满足以下等式，他就可以实现所有的提款（同时他的账户中也不再有任何钱）对于，，可以得到这就是说，在240个月中每月存款361美元，就可以使得他在随后的360个月中每月提取1000美元。注在这个例子中，我们使用了以下的代数恒等式为了证明这个等式，我们令由于注意到因此，23 这就证明了该等式。利用相同的方法，或者令趋向于无穷，可以证明当时有题1-8终身年金给其持有者在未来每一年年末领取数额款项的权利。这就是说，对于每一个，在第年的年末要向持有者支付，如果利率为，每年计息一次，那么这个现金流序列的现值是多少？解：该现金流可以被复制为初始时刻在银行存入本金，并在每一年的年末提取所得的利息（保留本金不动），但是在初始阶段存入任何少于的金额都无法复制这个现金流，因此这个无限期现金流的现值为。这个结论可以由下式推得：题1-9假设你向银行借款100000美元买房，负责贷款的经理告诉你可以以0.6%的月利率贷款15年，每月分期偿还。如果银行要收取贷款初始费用600美元，房屋检验费400美元，以及贷款额的一个百分点，那么银行提供的贷款的实际年利率是多少？解：首先我们考虑这个贷款的每月抵押支付，记之为。由于100000美元的贷款需要在未来的180个月中以月利率0.6%偿还，所以其中。因此，23 因此如果你实际得到了100000美元，在180个月中每月偿还910.05美元，那么实际月利率应该是0.6%。但是考虑到银行收取的初始贷款费用、房屋检验费以及一个百分点的贷款额（这意味着收到贷款时，银行将收取名义贷款额100000美元的1%），你实际只得到了98000美元。因此有效月利率应该满足下式的的值：其中。因此，或者，由得利用实验误差法求上面方程的数值解（由于，很容易计算）得出：因为，所以0.6%的名义月利率对应的有效年利率约为7.8%。题1-10假设一个人抵押贷款的金额为，需要在今后个月的每月月末偿还等额。贷款的月利率是，每月计息一次。已知，，，那么的值是多少？在第月的月末支付已经完成后，还剩下多少贷款的本金？在第月的支付中，多少是利息的支付，多少是本金的扣除（这很重要，因为有些合同允许贷款提前偿还，偿还的利息部分是可减免税的）？解：个月支付的现值为：23 因为这必须等于贷款额，我们可以看出，（1-1）其中，例如，贷款100000美元，需要以每月计息一次的名义年利率0.09在360个月中偿还，那么，每月支付（以美元计）为令表示在第月月末支付完当月偿还额后还欠的本金余额，为了确定这几个量，应该注意到，如果在第月的月末欠款为，那么在第月月末未发生支付前的欠款应该是。由于每个月末的支付额为，所以有从开始，我们得到：；；。23 一般地，对于，有（由等式（1-1））令和分别表示在第月月末支付的利息和本金的扣除额。由于是到上一个月月末的欠款额，因此有和可以用下面的式子验证上面的结果：我们发现，相邻月间返还的本金额以倍数增长。例如，在一个期限为30年、利率是每月计息一次的9%的年名义利率、本金为100000美元的贷款中，第一个月支付的804.62美元中只有54.62美元是贷款本金的扣除额；而其余的都是利息。在接下来的每一个月，用于偿还本金的支付额以倍数1.0075增长。题1-11已知23 求出收益曲线和现值函数。解：改写为，则可以给出以下的收益曲线因此，现值函数为第二章（P109）题2-1在金融学中，资产和资产结构是如何定义的？解：参考定义2.3.4和定义2.3.5。题2-2不确定性与风险二者是什么关系？风险与协方差的基本关系是什么？解：本题第一问可参考2.4节第一个自然段，第二问答案就是本章（2.4.15）式。题2-3什么是公司的资本结构和企业（或公司）价值？解：第一问即2.6.1第一自然段中：公司的资本结构是指其债务、权益和其它融资工具的相互组合及其组合中的比例关系。公司理财决策的目的是确定最佳资本结构，使之公司和投资人的财富价值实现最大化。第二问企业（或公司）价值即：企业债券和股票的收益率是对投资人而言的，但对于企业来说，它们则是成本。一般把企业债券和股票的市场价值总和称为企业的价值。23 习题2-4M-M定理的基本含义是什么？解：即（2.6.6）式后面的的自然段：企业的债务与股票的总价值等于在各种状态下企业收益的现值，这个现值是按照相关自然状态下一美元的要求权价格计算的，因此，总价值+与债务对股票的比例无关。这就是著名的莫迪利亚尼-米勒定理的结论。题2-5在金融学中，完备市场的条件是什么？市场有效性的基本条件是什么？解：第一问可见2.7.4完备市场的具体假设条件这部分。第二问参考(2.7.10)式，即：各种资产的预期收益率相等。就是完备市场有效性的基本条件。题2-6考虑将100的资本投资到两种证券，它们回报率的均值和标准差分别为：，；，若两个回报率的相关系数，投资者的效用函数为：求这两个证券的最优组合。解：设，，由式（2-1）得：。又由于，由式（2-2）得：所以我们应该选择，使下式的值达到最大：23 或等价的，最大化简单计算后得知取下值时，上式达到最大：即，当投资15.789于证券1，投资84.211于证券2时，期末财富的期望效用达到最大。将代入前面等式，得，，最大期望效用等于：这可以和下述投资组合的效用比较一下：将100全部投资到证券1时，期望效用为0.3904；当100全部投资到证券2时，期望效用为0.4413。题2-7设当前无风险利率为6%，市场回报率的均值和标准差分别为0.10，0.20。如果给定股票的回报率与市场回报率的协方差为0.05，求该股票回报率的期望值。解：由于所以（假定模型有效）即股票的期望回报率为11%。第三章（P148）题3-1均值-方差模型的最根本意义是哪两条？解：可参考（3.2.3）式前面的自然段：金融研究和金融数学的任务之一是要解决收益和风险的分析，通过对资产收益和风险的分析来解决金融资产在市场上的价值评估和组合中的效率衡量这两个基本问题。在这里，通过均值来分析金融资产的收益，显然，均值23 越大，资产组合的收益越好。用方差和协方差来分析资产选择的风险，显然，方差和协方差越大，风险就越大。于是，我们就可以用均值和方差来描述个人的效用与利益，即较大的均值和较低的方差是与个人的效用水平正相关的。至此，我们就基本完成了两个根本任务：（1）把不同资产的组合选择转化为均值-方差组合选择；（2）把传统的效率标准转化为均值-方差效率，即当均值给定时方差越小越好，或者方差限定时均值越大越好。题3-2CAMP模型的基本含义是什么？解：（3.3.5）式和（3.3.7）式就是消费-资本资产定价模型的基本形式。它们非常深刻地揭示了资产价格与个人消费之间的关系，一般均衡与资产定价之间的关系。它们表明：（1）资产的预期收益（价格）与消费的边际效用之间的协方差负相关。换句话说，其等价的命题是，消费的预期效用应该和资产的预期收益是一致的。（2）在实际经济中，个人首先承受着与消费有关的风险，既应该首先有然后才是与其它资产之间的风险关系，即题3-3（股票定价）企业Ⅰ在时期t=1将发行100股股票，企业在时期t=2的价值为随机变量。企业的资金都是通过发行这些股票而筹措的，以致于股票持有者有资格获得完全的收益流。最后给出的有关数据是：1000$之概率800$之概率，，试用资本资产基本定价方程求出该股票的合理价值。解：应用证券市场线性方程（3.2.1），23 即普通股所需的收益率为15%，这就意味着市场将以15%的贴现，以确定股票在时期t=1的市场价格，于是我们有以15%贴现，，因有100股，故每股价值为7.83$。题3-4（债券定价）有一面值为100元的债券，约定到期付息8%，假设在债券有效期内有70%的时间可以赎回本金并获得利息，30%的时间不能还本付息，但将支付50元的承保金。即可将债券在时期2的价值表示为随机变量108，50，设，其它数据如上题，试确定债券在时期1的合理价值。解由证券市场线性方程（3.2.1）可得确定等价定价公式。市场所需的期望收益率为题3-5某公司在时期1的市场价值为900元。现有一项目，其在时期2的期望收益为E（Vi）=1000，E（XM）=0.5，r=0.05。公司现考虑一个新的投资项目，其单位成本为60元。在时期2的现金收益流为E（F）=130元，cov（F，XM）/σ2（XM）=250元。试回答，该公司管理者应怎样考虑这个项目？23 解：由题3-4的确定等价定价公式可得由此式得求解上式得又故又假如投资新项目，那么公司在时期1的总收入（不考虑投资成本）是因为公司市场价值比原来的上涨了100元，而投资成本为60元，故可以得到补偿，所以可以投资该项目。第四章（P208）题4-1未定权益的基本含义是什么？23 解：可参考本章4.2.2未定权益与期权的基本概念的内容：资产是一般化的概念，未定权益是实质性概念。现在，未定权益的研究已经成为现代金融学研究的方向性工作。未定权益（ContingentClaim）是表示时间从卖者向买者所支付损益的随机变量。其中的随机变量能够作为原生证券价格的某种函数。对于单时期分析模型而言，未定权益是唯一的衍生证券，是两个参与者之间的一种合约或协议。由于一方向另一方许诺，在时间时支付数量，所以，买者将正式地支付一些资金给卖者。因此，在交易中需要处理的基本问题就是，未定权益在时间时的价值是多少？题4-2什么是期权平价原理？其含义是什么？解：可参考本章4.3.4卖出——买入期权的平价原理。题4-3什么是基本维纳-布朗过程？解：可参考本章4.4.3中的2．期权价格的基本维纳-布朗过程：设是任一个随机变量，表示时间。在小的时间间隔内，随机变量变化了。如果服从Wiener-Brownian运动，则在小时间间隔内的变化满足方程其中是随机项，服从标准正态分布，其均值为0，方差为1。在随机收敛意义下，它可以写成因为是标准正态分布，也服从正态分布，它的均值为零，方差为，标准差为。由上式所描述的期权价格随机过程就被称为基本Wiener-Brownia过程。在数学上它们被称为随机微分。题4-4如果一个变量遵循基本维纳-布朗过程，问：其均值变化为0，标准差为的含义是什么？解：是指随机变量变化将有零期望值和等于未来时期长度的平方根的标准差。题4-5什么是一般维纳-布朗过程？23 解：即本章(4.4.7)式。题4-6一般维纳-布朗过程与基本维纳-布朗过程的区别是什么？为什么一般维纳-布朗过程才能准确描述资产价格的随机过程？解：可参考本章4.4.3最后一段：现在，我们还不能应用这个基本Wiene-Brownian过程去描述期权价格这一随机过程，因为将基本Wiener-Brownian过程应用到期权价格上，在以下三个方面是无效的：（1）不同资产有不同的波动程度。上面的描述，资产的波动都是1。（2）风险资产平均看有正的期望收益，在上面的过程中的均值被假设为0，这样从平均上看，未来价格等于现在价格。（3）Wiener-Brownian过程假设价格是绝对变化，不依赖于的大小，然而事实上我们不期望这种情况。平均来看，高价格资产的绝对价格变化比低价格资产的绝对变化要大。相对期权价格是成比例变化的，它不依赖于。这个比例或百分比与这个期权价格同样无关。因而这指出了在期权价格变化度量上的一个重要事实：关系比更合适。题4-7写出标准的维纳-布朗运动方程。解：即本章（4.4.10）式。题4-8CAMP模型与APT模型的主要区别是什么？解：可参考本章4.7.3APT模型与CAMP模型的比较这部分。题4-9APT模型是如何解释市场有效性条件的？解：即定理4.7.1。题4-10股票现在的价值为50元。一年后，它的价值可能是55元或40元。一年期利率为4%。假设我们希望计算两种看涨期权的价格，一种执行价格为48美元，另一种执行价为53美元。我们也希望为一种执行价为45元的看涨期权定价。问，应该如何用V0=e-rt[PU+(1-P)D]=e-rEp[V1]求出这3个价格？其中的P、U和D如图23 UV0D解：第1步：从股票二叉图得到。由公式（4.5.6）知：55从50我们得到40所以第2步：对衍生产品价值和求平均。1．如果看涨期权执行价为48美元，那么以及，看涨期权的价格为：2．如果看涨期权执行价为53美元，那么，看涨期权的价格为：3．如果看跌期权执行价为45美元，那么以及，看跌期权的价格为：题4-11（本题更正如下：）假设名义利率为，现在考虑如下的期权定价。该期权是未来以指定价格购买一种股票，股票的初始价格是100并且假设一段时间后股票的价格只可能是200或者50。如果在0时刻我们能以每股的价格买入一个期权，这个期权使我们在时刻1能以每股150的价格购买股票，那么当的值为多少时稳赢的赌博不可能存在？23 解：在本节的背景下，试验的结果是时刻1时的股票价格，因此，有两种可能的结果。与此同时也存在两种不同的赌博：买（或者卖）股票和买（或者卖）期权。由套利定理我们知道，如果在结果集上存在概率使得这两种赌博的期望收益现值为零，那么就不会有稳赢的情况出现。购买一股该股票收益的现值为：收益=如果在时刻1时的价格是200如果在时刻1时的价格是50因此，若在时刻1时股票价格是200的概率为，那么。令这个式子等于零，我们就得到：。由此可见，若赌博为购买股票，那么使得该赌博的期望收益是零的概率向量只可能是。此外，购买一个期权收益的现值为：收益=如果在时刻1时的价格是200如果在时刻1时的价格是50因此，当时，购买一个期权的期望收益是：。根据套利定理，我们就得到了不可能存在稳赢策略时的唯一值是：即，，题4-1223 假设一个证券现在的售价是30，名义利率是8%（单位时间为1年），这种证券的波动率是0.20。求一个3个月后到期且执行价为34的买入期权的无套利价格。解：本题中的参数是：，，，，所以我们就有由此得到这个期权合适的价格就应该是24。题4-13定义函数称为凸的，如果对所有的和，以及，有函数凸性的几何解释是，是和连线上的点，它给的权重与在和的连线上的点所给予点的权重是相同的。因此，凸性的几何解释又是，连接曲线上任意两点的直线总在这段曲线之上（或与曲线重合）。试证明下面的结论。命题令是以某特定证券为标的的买入期权的价格，这个期权的敲定价为，到期日为。对于固定的到期日，关于是凸的非增函数。对于任意，有。解：凸函数的几何意义如下图所示23 ●●●●如果用来表示标的证券在时刻的价格，那么在时刻买入期权的回报是：期权的回报=若，0若。这就是说，，其中，（称为的正部）定义为：当时取值，当时取值0。对于固定的，从回报函数的图像，它是关于的凸函数。为了证明是关于的凸函数，假设，。现在考虑以下两个投资：23 1）购买买入期权。2）购买买入期权和买入期权。因为投资1）在时刻的回报为，而投资2）在时刻的回报为，由函数的凸性可知，投资2）的回报至少应该和投资1）的回报一样大。因此，由广义一价律，要么投资2）的成本至少和投资1）的成本相等，要么存在套利。这就是说，要么要么存在套利。这证明了函数的凸性。对于关于的非增函数的证明，作为练习留给读者。要证明部分，应该注意到，如果，那么通过卖出一个时刻到期、敲定价为的买入期权，并买入一个时刻到期、敲定价为的买入期权，就可以得到套利机会。因为敲定价为的期权的回报比敲定价为的期权的回报，最多多出，因此从这个投资组合总会得到正的利润。第五章（P243）题5-1什么是零息债券？什么是付息债券？解：见本章5.2.1零息债券和付息债券的第一个自然段。题5-2什么是利率期限结构？解：见本章5.3.1债券的利率期限概念这节中的：利率期限结构是指一种债券的到期期限与它的到期收益率之间的关系，及其不同期限债券利率之间的关系。题5-3什么是即期利率？什么是远期利率？即期利率与远期利率关系如何？解：参见本章5.3.1债券的利率期限概念。具体内容如下：即期利率指，债券发行人和投资人商定在未来某一时刻一次偿还所借款项时投资人获得的收益率。23 远期利率指，当订立借款合约的日期与真正实施合约的日期不一致，通常在订立合约后一年或更长时期才实施的利率。由于远期利率是发生在未来的、目前尚不可知的利率，实践中远期利率是从即期利率中推导出的一个理论值。即远期利率是起点在未来的即期利率。题5-4一个投资者有本金，可以投资的钱数在0到之间，如果投资了，则会以概率获益，以损失。如果，投资者的效用函数是对数的，则投资者应该投入多少？解：设投入金额是，，投资者的投资结果记为，它等于或，出现这两种结果的概率分别是，，它们的期望效用为：为求出的最优值，对上式关于求导得：令上式等于0，得：或所以投资者每次都应投资他现有财富的。例如，如果获利的概率，则投资者应该投资全部财富的20%。如果，他应该投资40%（当时，容易证明最优投资数量为0）。题5-5假设投资后，如果获利，则收益在一个单位时间之后才会支付，并假设未投资的部分可以存入银行，每期利率为。求此情况下，应投资多少？解：设投资者投资，将剩余的存到银行，那么一期后，存款变为，而投资部分变为（概率为）或0（概率为23 ）。他财富的期望效用为：因此，一个人财富的最优投资比例不会因财富的多少而改变。现对上式关于求导有：令此导数值等于0，解方程可得的最优值：例如，当，时，投资的期望回报率是20%（而全部资本存入银行只能收益5%），此时最优投资比例为也就是说，投资者应该将财富的15.8%进行投资，而将剩余的部分存入银行。题5-6根据收益率曲线，1年期的收益为4.7％，5年期的收益为5.1％，求零息券的远期价格。解：从收益率曲线可求得和所以第六章（P279）题6-1本书一共讨论了几种最优消费-投资模型？各自的含义是什么？解：23 一般说来，金融研究用最优化模型方法主要是为了解决三类问题，也可以说，最优化模型在金融研究中有三种基本形式，一是研究消费和投资之间关系的，二是研究资产之间组合关系的，三是研究风险和收益之间关系的。每一类形式都有静态（也称作单时期）和动态（也称作多时期或跨时期）之分。题6-2本书一共讨论了几种最优投资模型？各自的含义是什么？解：这节我们讨论三种不同含义的资产组合优化模型，它们的共同特征是可以实际求出最终显示解的模型，即三大类投资组合问题：第一类，当固定资金投资到多个资产或项目时，其中各个项目分配多少资金，同时还要实现总收益最大；第二类，不确定环境中投资机会的优化组合，其中把风险作为某种投资机会；第三类，风险投资的线性优化模型。这里需要强调的是后两类投资优化分析，尤其是第三类模型。因为我们现在所研究的最优化（消费-投资、资产组合、投资组合等）组合模型所利用的，都是要求满足一阶和二阶条件的隐函数形式，其均衡分析是理论意义上的，其实，均衡的结果我们并没有实际得到。但是，在风险投资的线性优化模型中，可以用著名的库恩-塔克（Kuhn—Tucker）方法把所要的结果都求出来。题6-3均值-方差模型有几种形式？解：典型的风险投资问题是在收益率和方差之间做选择，一种选择是把预期收益率的最大化为目标函数，方差为约束条件；一种选择是把方差最小化为目标函数，预期收益率为约束条件。这是马科威茨（1952）原始模型的思想。题6-4与传统最优化分析比较，博弈论分析的最大优点是什么？解：现在用博弈论来研究金融问题是个非常有前途的新兴方向，有兴趣的读者可以阅读马丁·舒贝克的《货币和金融机构理论》。在现代金融学中，交易（行为）研究是非常重要的一个分支，有些甚至称之为金融行为学。在博弈论的观点来说，行为与策略并不都是一回事。策略是当轮到个人行动时他选择行动的计划和获得信息的过程。直观地说，策略可能先存在于行为。从理论上讲，策略与行为之间存在因果关系。具体的事例是，当一个人的行动是在另一个人的行动之后时，他就需要对前者行为的随机性进行判断，然后才做出行动的选择。如果前者行为的随机性属于信息的范畴，那么在信息与行为之间，还可能存在着策略这一层复杂内容。这就是为什么博弈论方法可以为我们提供对人类行为更深刻认识的原因之一。另外，与传统的优化模型比较，博弈论模型简洁方便，不要求诸多严格的演绎分析条件，尤其是可以不作边际分析。这就为处理信息、不确定性和风险等外生因素和变量创造了方便，避免了模型分析中的困难。因此，现在博弈论在金融研究中的运用成了非常诱人的方法。23'